3.1 `Box<T>`

译文 · 基于 Comprehensive Rust

原文链接: https://google.github.io/comprehensive-rust/smart-pointers/box.html

3.1 Box<T>

Box 是指向堆上数据的拥有型指针：

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
fn main() {
    let five = Box::new(5);
    println!("five: {}", *five);
}

 Stack                     Heap
.- - - - - - -.     .- - - - - - -.
:             :     :             :
:    five     :     :             :
:   +-----+   :     :   +-----+   :
:   | o---|---+-----+-->|  5  |   :
:   +-----+   :     :   +-----+   :
:             :     :             :
:             :     :             :
`- - - - - - -'     `- - - - - - -'

Box<T> 实现了 Deref<Target = T>，因此你可以 直接在 Box<T> 上调用 T 的方法。

递归数据类型或大小动态的数据类型，若不通过指针间接存储就无法内联存放。Box 提供了这种间接：

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#[derive(Debug)]
enum List<T> {
    /// 非空列表：第一个元素以及列表的其余部分。
    Element(T, Box<List<T>>),
    /// 空列表。
    Nil,
}

fn main() {
    let list: List<i32> =
        List::Element(1, Box::new(List::Element(2, Box::new(List::Nil))));
    println!("{list:?}");
}

 Stack                           Heap
.- - - - - - - - - - - - - - .     .- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -.
:                            :     :                                                 :
:    list                    :     :                                                 :
:   +---------+----+----+    :     :    +---------+----+----+    +------+----+----+  :
:   | Element | 1  | o--+----+-----+--->| Element | 2  | o--+--->| Nil  | // | // |  :
:   +---------+----+----+    :     :    +---------+----+----+    +------+----+----+  :
:                            :     :                                                 :
:                            :     :                                                 :
'- - - - - - - - - - - - - - '     '- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -'

• Box 类似 C++ 的 std::unique_ptr，但保证不为空。

• Box 在以下情况很有用：

  • 类型的大小在编译期无法知道，但 Rust 编译器需要确切大小。
  • 想转移大量数据的所有权。为避免在栈上拷贝大量数据，把数据放在堆上的 Box 中，这样移动的只是指针。

• 若不用 Box、试图把 List 直接嵌入 List，编译器将无法为该结构计算出固定内存大小（List 会变成无限大小）。

• Box 解决了这个问题：它与普通指针大小相同，只是指向堆上 List 的下一个元素。

• 去掉 List 定义中的 Box 并展示编译错误。会得到「recursive without indirection」之类的信息，因为数据递归必须使用间接——某种 Box 或引用——而不能直接存储值。

• 尽管 Box 看起来像 C++ 的 std::unique_ptr，它不能为空/null。这使得 Box 成为允许编译器优化某些枚举存储的类型之一（「niche optimization」）。